淺談液化石油氣泵操作當中的汽蝕問題

謝 俊

（中國石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東 揭陽 515200）

0 引言

隨著我國城市燃氣工作的快速發展，市民的日常生活水平不斷提高。液化石油氣作為城市居民日常生活中的主要能源之一，在改善燃料結構、加速城市燃氣方面有著絕對的影響作用。為此，我們在不同時間地點興建了一個多個包括石油氣以及儲存及加氣站「“497”」。輪回壓縮機和烴泵平日用于對儲罐中的液化氣可以加壓，而后運到可以灌裝車間可以灌裝。這種操作涉及到的技術等難度較小，同時可以達到非常好的傳輸效果。然而，如果沒有適當的規劃，石油氣可能會造成氣蝕，影響設備的使用壽命和安全。

1 氣蝕的產生及危害

在實際傳輸過程中，這種流速和壓力都是受到整個管道大小、方向等的影響。當液體運動時，如果沿途局部區域的絕對壓力降到與氣化壓力相同，液體中就會形成氣泡。當氣泡可以跟隨工作液體能夠到達一個高壓區時，氣泡中的蒸汽會變形、破裂并再次冷凝成液體。如果發生氣泡破裂，此時就會形成一定的沖擊力，含有上百個大氣層。同時這種沖擊力將會不斷破壞管壁，使得管壁發生損壞。氣泡形成、膨脹、破裂和物質侵蝕的全過程稱為清空。如果發生汽蝕，碳氫泵的性能和功率都會下降，零部件容易損壞，產生劇烈振動。而這種振動的發生將會導致連接處出現損壞，進而發生泄漏等問題。液化石油氣本身就是一種高危產品，易燃易爆，容易引發事故，一旦發生危險將會造成嚴重的影響。所以對于出現的汽蝕問題需要給予絕對的重視，盡量緩解。

2 氣蝕現象

氣蝕也叫空穴和氣穴。液化石油氣的汽化能力非常強。當某個地方的液化石油氣壓力低于當時液體的飽和蒸氣壓時，那個地方的液化石油氣就會迅速汽化，即液體的分子出來形成氣泡，在液化石油氣液體中形成氣穴，破壞液化石油氣輸送的連續狀態。從而降低液化石油氣的通過能力，甚至阻礙液化石油氣的正常流動，也就是氣穴。

空氣進行侵蝕我們通常發生在中國液化石油氣管道管理系統的低壓吸氣區，即入口管道。當氣泡與液體一起流入壓力較高的區域時，它們會迅速凝結成液體，因為壓力高于液體的飽和蒸汽壓力。這個過程是瞬時發生的，因此引起局部壓力沖擊，引起液化石油氣泵的強烈噪音和管道的振動。此時內部的溫度和氣壓都會不斷增長。當氣泡聚集在管道的狹窄部分并成為堵塞物時，管道系統的正常運行將被中斷[1]。

氣蝕通常發生在液化石油氣管道系統的低壓吸入區，即入口管道。當氣泡隨液體流入壓力較高的區域時，由于壓力高于液體的飽和蒸氣壓，氣泡會迅速凝結成液體。這一過程是瞬間發生的，因此會引起局部壓力沖擊，引起液化石油氣泵的強烈噪音和管道內的振動。此時內部的溫度和氣壓都會不斷增長。當氣泡聚集在管道狹窄的地方，成為氣塞時，管道系統的正常運行就會被破壞。

為了防止氣蝕，最簡單的辦法是在液化氣泵和進口液相截止閥之間設置一個小型旁路閥（類似于液化石油氣鋼瓶的角閥），這樣氣體就會排出可以。另外，可以系統要避免管道狹窄的地方和急轉彎，避免局部壓力突然下降。

另外，考慮到管道的安全問題，需要確保LPG泵能夠順利運行。在正常情況下，液化石油氣泵中安裝有安全閥。當液化石油氣泵出口管道系統的壓力超過泵內安全閥設定的額定壓力時，泵內安全閥會自動開啟，使液體在泵內循環，從而維持部分液化石油氣管道系統的安全溢流。通常情況下，液化石油氣泵的安全柜壓力在出廠前已經調整好。（反面版本以沙爾濱水泵廠生產的YQ15-5A或B為準。安全閥壓力調整到0.7～08MPa）。具體條件可以在液化石油氣管道系統的應用中進一步調整，使管道系統達到最佳運行條件。

3 對泵區工藝管道系統的分析

儲灌站內有4個50m3儲罐和3臺液化石油氣多級離心泵。技術參數為型號（CEH5106）、流量（12.0～15.8m3/h）、壓差（0.7～1.16MPa）。其中兩個打開，一個備用，為18位轉盤的灌裝線提供了滿意的壓力。用轉盤灌裝時，壓力應為1.4～1.5MPa，這種壓力值只能借助兩個泵進行實現。問題是，三臺泵安裝使用后發現，打開兩個臥式水箱排水，兩臺泵加壓時，泵內經常會出現汽蝕現象，泵和管路會出現劇烈振蕩和異常噪音。對泵區工藝管路系統的研究表明，由于高壓多極離心泵功率大，工藝過程中發生汽蝕，儲罐出口管（DN80）比泵進口管（DN100）小，沿途局部阻力損失大，無法供液，泵前液體部分汽化進入泵體。當其他加壓熱液體從泵出口流回泵時，氣穴現象我們將會不斷加劇。通過用循環壓縮機對儲罐的氣相加壓，提高了泵前液體的壓力和流速，消除了氣蝕現象，證明了上述研究結論。針對這一問題的處理，筆者歸納出下列幾種解決方法：

（1）將儲罐進行出口管DN80擴大至DN100；

（2）增加罐體進行高度，使靜水頭克服各種阻力降低損失；

（3）調整離心泵的功率、壓力等，將這些數值參數都適當減少；

（4）啟動循環壓縮機，對罐內氣相加壓，提高進口壓力和流量；

（5）降低管道的局部阻力，最大限度地減少阻力損失。

上述方案1及2已完成并投入使用，并已確定其輸水管道及高度。在維持相關生產效率的過程中很難進行刷新操作；第三種規劃，能耗低的泵必然會影響轉盤的灌裝速度，降低產能；第四種規劃中，使用壓縮性可以氣相增壓非但浪擲電能，加速設備損耗，而且增加崗位定額。因此可以將這種運行進行調整，變成回流方式輸送到罐中，效果將顯著提高，簡單和最佳的解決方案 如圖1所示[2]。

圖1 改造后泵區工藝管道系統示意圖

（1）將儲罐出水管的截止閥改為直球閥，可以降低阻力；

（2）將高出口和低出口的圓柱形濾光片更改為Y 形濾波器，以實現并行出入口，將降低電阻；

（3）將進液口由排液管的上部結構改為能夠管的下部，可降低阻力；

（4）將泵入口截止閥結構改為球閥，可顯著水平降低工作阻力；

（5）回流管抽出后，通過閥門回流至進液管，提高了進液溫度，加快了氣化速度，更容易發生氣蝕現象。將其可以改為回流至儲罐的效果將顯著水平提高。

4 關于CEH5106型泵的氣蝕問題，測算如下

管徑d=0.08～0.1m，流量達到30m3/h，兩個泵需要一起運行：

v1=Q÷A1=30÷（14×3.14×0.082×3600）=1.66m/S；

v2=Q÷A2=30÷（14×3.14×0.12×3600）=1.06m/S；

v1、v2為管道流速；

A1、A2為管道截面積；

Q為流量。

管道長度按最遠點20米計，流速按平均流速V=（1.66+1.06）÷2=1.4m/s；

LPG的主要組成成分就是丙烷和丁烷，而丙烷的運動粘度達到3.81×10-6m2/s，丁烷的運動粘度為2.53×10-6m2/s，故取其平均運動粘度3.2×10-6m2/s。

Re=vd/v

=1.4×0.1/（3.2×10-6）=4.38×104＞2320

其中Re為雷諾數；

v為管內液體平均流速，m/s；

d 為圓管內徑，m；

υ為液體的運動粘度，m2/s；

所以判斷流動狀態為紊流。

假設流體在水力光滑管區流動,則沿程阻力系數：

λ=0.316 4×R e-0.2 5=0.316 4×（4.3 7×104）-0.25=0.022

管道沿程阻力：

H1=λ1/2×v2/2g×20/0.1×1.42/2×9.8=0.44

λ 為沿程阻力系數；

l 為圓管的長度，m；

d 為圓管內徑，m；

v 為管內平均流速，m/s；

g 為重力加速度,m/s。

針對管道局部的阻力計算主要借助相關系數進行表示，其主要包含4個閥門，能夠進行緊急停止操作，還有1個過濾裝置和直角彎頭。

圓管彎頭的局部阻力系數：

ζ 90 。=[0.20+0.001(100λ) 3 ] d/R

=[0.20+0.001×（100×0.022）3]×0.1/0.1=0.21

λ為沿程阻力系數；

d 為圓管內徑，m；

R 為彎頭的轉彎半徑，m。

根據工廠提供的技術數據，筒式過濾器“4 97”的局部開發阻力相關系數ζ=0.4，截止閥局部阻力影響系數ζ=4.6，JD對應的ζ=0.83。

總局部阻力損失：

h j=∑ζv 22g=（0.21+0.4+4.6×4+0.83）×1.4 22 × 9.8=1.98m

CEH5106型泵的NPSH值=0.5，考慮到氣泵問題的控制，對應的液位在泵入口上：

NPSH值+hw +hj=0.5+0.44+1.98=2.92m（最少）

但是，站臥罐的最低液位為2m，故在臥罐剩下0.92m液位時即會發生氣蝕現象。

5 技術改造方案的確定

球閥直通，電阻ζ部分系數為0，Y濾波器ζ阻力系數為0.12。針對管道局部的阻力計算主要借助相關系數進行表示。改裝后的管線有一個緊急關閉閥，三個球閥和一個y型過濾器。

h j=∑ζv 22g=（0.12+0.83）×1.422×9.8=0.10m（液柱）

管道沿程阻力仍為0.44m，npsh=0.5m

因此，為了避免氣蝕，液面應該：

λ+h j +NPSH=0.44+0.10+0.5=1.04m（最少）

水箱的實際最低水位是2.00米&1.04米，所以能夠知道改造后不應該發生蛀牙。

6 改造后達到的效果

經由工藝革新，達到了預期結果，即在灌裝鋼瓶時，只需打開兩個儲罐和兩個液化石油氣泵，不需要啟動資金循環利用壓縮機氣相增壓，每年可節約5萬元左右，三臺泵運行能夠更好。

7 結語

為克服液化石油氣泵的氣蝕問題，應仔細考慮工藝規劃和設備選擇。在一些規模較小的灌裝廠中可以選擇一些小型的泵頭進行操作，對于灌裝量大的灌裝廠，可以考慮在高處建造儲罐，增加泵的靜壓頭，在滿足規范的前提下盡可能增加儲罐的進口管徑，采用局部阻力損失較小的閥門和工藝管道的規劃方案。無論計劃如何，都應盡一切努力減少抵抗力的喪失。